4. Tehnici de transfer SCM - PCB

I. SCOPUL LUCRĂRII

Scopul lucrării de laborator este de a evidenția aspectele teoretice și practice ale

procedurii de transfer al proiectului electronic din blocul schematic în blocul de generare

a structurii de interconectare on-board (transfer SCM – PCB). Prin intermediul acestei

proceduri, proiectul schematic este configurat și postprocesat în vederea generării unor

fișiere de tip netlist care să conducă la realizarea modulului electronic virtual și a plăcii

de circuit imprimat asociate schemei electronice proiectate.

II. DESFĂȘURAREA LUCRĂRII

1. Alocarea de capsule în vederea realizării transferului spre blocul PCB

Transferul proiectului electronic SCM (de tip Schematics) din blocul OrCAD

Capture în blocul PCB al sistemului OrCAD (PCB Editor) se realizează prin intermediul

a trei fișiere de postprocesare. Operația de transfer se realizează după ce, în prealabil,

fiecărei componente electronice virtuale îi este alocată o capsulă (numită și

capsulă/amprentă PCB sau PCB Footprint, în limba engleză) din biblioteca de capsule

asociată blocului de proiectare a circuitelor imprimate, OrCAD PCB Editor. Această

bibliotecă se află pe HDD la locația:

<Drive de instalare>:/OrCAD/OrCAD_16.6_Lite/share/pcb/pcb_lib/symbols.

În sistemul de proiectare Cadence OrCAD, capsula se numește package symbol.

Capsulele din cadrul bibliotecii pot fi vizualizate astfel:

1. se deschide programul OrCAD PCB Editor și se apasă butonul Place Manual din bara verticală de instrumente aflată în partea stângă a ecranului sau din meniul Place, se selectează Components Manually...;

2. se selectează tab-ul Advanced Settings și se bifează câmpul Library, debifându-se Database;

3. se revine la tab-ul Placement List și, din meniul drag & drop aflat în partea stânga sus, se alege opțiunea Package symbols, putându-se astfel vizualiza toate capsulele existente în biblioteca blocului PCB Editor.

Dacă numele capsulei nu este cunoscut, se va baleia lista de capsule și se va

alege capsula corespunzătoare componentei electronice virtuale plasate în proiectul

electronic din OrCAD Capture, în concordanță cu componenta electronică reală

fabricată de un producător.

Pentru a aloca o capsulă unei componente electronice virtuale (unui part), se

selectează în OrCAD Capture componenta respectivă, se apasă RMB și se alege

opțiunea Edit Properties.... După deschiderea ferestrei de proprietăți, în câmpul PCB

Footprint se va introduce denumirea capsulei. Dacă se dorește o verificare a capsulei

atunci se va selecta componenta, se va apăsa RMB și se va alege opțiunea Show

Footprint, în urma căreia se va deschide o fereastră în care se va putea vizualiza

capsula alocată.

EXEMPLU: Să se realizeze transferul schemei electrice din figura 4.1a. Pentru cele două

rezistoare se va alege capsula RES400 din biblioteca sistemului de proiectare a

circuitelor imprimate OrCAD PCB Editor.

a b Fig. 4.1 a) Proiect didactic pentru evidențierea procedurii de transfer SCM – PCB,

b) Alocarea capsulei RES400 pentru un rezistor

După introducerea în câmpul PCB Footprint a capsulei RES400 (a se vedea

figura 4.1b), ea se poate vizualiza prin selectare și rulare a comenzii Show Footprint din

meniul contextual (activat prin RMB). Astfel, proiectantul poate face corespondența

dintre componenta virtuală (part) și capsulă (footprint), operație extrem de importantă în

cadrul proiectării prin metode CAD a modulelor electronice.

Fig. 4.2 Vizualizarea capsulei prin selecția componentei virtuale și rularea

comenzii Show Footprint

2. Generarea fișierelor de postprocesare și transferul în blocul PCB Editor

Comanda Create Netlist (din meniul Tools) permite generarea unor fișiere

specializate destinate interfațării mediului OrCAD Capture cu alte blocuri/medii de

proiectare asistată de calculator din domeniul electronicii. Obiectele incluse în fișierul de

tip netlist sunt doar obiectele „cu terminale” (componentele virtuale/part-urile) și arborii

de interconectare (net-urile). Articolele create prin intermediul comenzii New Part

(lucrarea de laborator nr. 3) care nu conțin terminale, nu apar în aceste fișiere de

interfațare și transfer, ele fiind incluse doar în listele de aprovizionare (numite bill of

materials - BOM).

Formatele de fișiere Netlist generate cu ajutorul comenzii de față sunt

următoarele: PCB Editor, EDIF 200, INF, Layout, PSpice, SPICE, Verilog, VHDL și

Other.

Una dintre cele mai importante postprocesări ale proiectului electronic realizat

prin metode CAD este cea legată de transferul SCM (OrCAD Capture) – PCB (OrCAD

PCB Editor).

MOD DE REALIZARE:

Primul pas în realizarea procedurii de transfer este selectarea în cadrul ferestrei

project manager a fișierului de tip design (cu extensia *.DSN), ce conține întreaga

informație tehnică legată de circuitul electronic proiectat. După selectarea acestui fișier,

se alege din meniul Tools comanda Create Netlist, conform figurii 4.3.

Fig. 4.3 Accesarea comenzii Create Netlist

După selectarea comenzii Create Netlist se va deschide o fereastră de tip tablou

cu mai multe file (multi-tab), conform figurii 4.4. Tab-ul utilizat pentru generarea

fișierelor de transfer spre blocul PCB este intitulat PCB Editor și permite generarea

fișierelor de postprocesare în vederea accesării blocului OrCAD PCB Editor. Zona PCB

Footprint precizează câmpul (din baza de date a componentelor virtuale) care va fi luat

în calcul în vederea asocierii de capsule pentru toate componentele prezente în schema

electrică proiectată. Se va bifa caseta Create or Update PCB Editor Board (Netrev) și în

partea din dreapta jos a ferestrei se va selecta opțiunea Open board in OrCAD PCB

Editor.

De asemenea, chiar dacă nu este de interes pentru proiectul de față, se bifează

și caseta Allow User Defined Property, pentru a se permite și transferul proprietăților

definite de utilizator.

Fig. 4.4 Tabloul comenzii Create Netlist (fila PCB Editor)

După selectarea tuturor câmpurilor necesare, se inițiază procedura de

postprocesare (a se vedea figura 4.5) și se generează cele trei fișiere de transfer:

pstxnet.dat, pstxprt.dat și pstschip.dat (figura 4.6).

Fig. 4.5 Generarea fișierelor de postprocesare

Fig. 4.6 Fișierele de postprocesare pstxnet.dat, pstxprt.dat și pstschip.dat

Aceste fișiere permit transferul complet al informațiilor din cadrul proiectului

schematic, astfel:

• pstxnet.dat → pentru informații legate de conexiunile electrice; • pstxprt.dat → pentru informații legate de componentele electronice; • pstschip.dat → pentru informații legate de entitățile din interiorul

componentelor electronice.

După cum se observă, locația în care se salvează fișierele este directorul

Outputs din cadrul ferestrei project manager. Tot în acest director se salvează și orice

alt fișier de postprocesare, în figura 4.7 observându-se existența fișierului de verificare a

regulilor electrice (DRC), design1.drc.

Fig. 4.7 Fișierele de postprocesare pstxnet.dat, pstxprt.dat, pstschip.dat și fișierul

de verificare a regulilor electrice (în cadrul directorului Outputs)

În timpul postprocesării se creează pe disc un subdirector (numit allegro), în

interiorul directorului asociat proiectului schematic. În subdirectorul allegro sunt plasate

fișierele de transfer, fișierul proiectului PCB și fișierele asociate/conexe transferului,

respectiv proiectului PCB. Foarte important este fișierul netrev.lst, de tip text, care prezintă informații esențiale din timpul rulării transferului, inclusiv toate atenționările (warnings) și erorile (errors) apărute din cadrul proiectului schematic.

Fig. 4.8 Crearea pe disc a unui subdirector (allegro) în interiorul directorului

asociat proiectului schematic

Salvarea fișierului PCB (fișier cu extensia *.BRD) are loc în subdirectorul allegro,

locație în care va fi regăsit permanent proiectul PCB aflat în lucru. În cazul în care

transferul se blochează din cauza unor probleme de proiectare sau erori pe parcursul

fazei de postprocesare, se recomandă realizarea tuturor modificărilor în vederea

corectării proiectului și reluarea procedurii complete de transfer.

Dacă transferul a avut loc fără erori, întregul proiect schematic (cu toate

componentele, conexiunile electrice și configurările realizate în SCM) va fi stocat în

baza de date a proiectului PCB. O garanție că transferul a avut loc cu succes este

deschiderea automată a blocului OrCAD PCB Editor și a interfeței grafice, interfață în

care proiect PCB va putea fi elaborat.

Chiar dacă transferul a fost realizat cu succes, aria de proiectare vizualizată

inițial de utilizator nu va conține niciun element (componentă, conexiune etc.). Pentru

plasarea componentelor electronice în aria de proiectare a mediului PCB Editor

proiectantul trebuie să selecteze butonul Place Manual (din partea din stânga sus a

ecranului, primul buton din bara verticală cu instrumente) sau din meniul Place opțiunea

Components Manually... (a se vedea figura 4.11).

În urma selecției se va deschide fereastra Placement (figura 4.9) și, în interiorul

acesteia, se va selecta tab-ul Placement List și se va alege filtrarea Components by

refdes (refdes fiind referința componentelor virtuale din blocul de proiectare

schematică). În urma acestor operații vor putea fi vizualizate componentele transferate,

urmând selectarea și plasarea lor (parțială sau totală) în aria de lucru.

Atenție: A NU se apăsa butonul OK înaintea plasării tuturor componentelor

dorite! Acest lucru duce la închiderea ferestrei Placement, fără a se plasa respectivele

componentele.

Fig. 4.9 Vizualizarea listei de componente transferate

După plasare, utilizatorul poate observa componentele electronice virtuale

(existând și posibilitatea de vizualizare 3D), conexiunile transferate și numele/tipul

componentelor (figura 4.10). Acesta este momentul de start al proiectării structurii de

interconectare PCB (proiectare numită și PCB design sau PCB layout design), moment în care se poate spune că transferul a fost realizat cu succes!

Fig. 4.10 Vizualizarea componentelor virtuale și conexiunilor electrice, după un

transfer SCM - PCB realizat cu succes

Câteva detalii ale interfeței cu utilizatorul a mediului de proiectare OrCAD PCB

Editor sunt prezentate în figura 4.11.

Fig. 4.11 Interfața cu utilizatorul a mediului de proiectare OrCAD PCB Editor

3. Realizarea conturului PCB (conturului plăcii de circuit imprimat)

METODA 1 – REALIZAREA CONTURULUI DIRECT ÎN ARIA DE PROIECTARE

PCB, DUPĂ REALIZAREA CU SUCCES A TRANSFERULUI

Înaintea generării conturului de placă este necesară configurarea unor parametri

PCB importanți. Astfel, în aria de proiectare a PCB Editor (oriunde, în aria neagră) se

face clic RMB şi se selectează Quick Utilities → Design Parameters sau, din meniul

Setup, se alege opțiunea Design Parameters. De asemenea, se poate apăsa butonul cu

“globul pământesc” (numit prmed) din prima bară orizontală cu instrumente. În urma

selecției, pe ecran apare fereastra Design Parameter Editor și, din tab-ul Design, se

aleg (figura 4.12):

• unitatea de măsură (User Units) → mils; • dimensiunea ariei de lucru (Size) → A; • precizia de proiectare (Accuracy) → 1 sau 0 (zecimale după virgulă); • originea de proiectare (Move Origin) → (-2000,-2000).

Fig. 4.12 Editorul parametrilor de proiectare (Design Parameter Editor) și tab-ul

Design de introducere a parametrilor precizați anterior

În tab-ul Display se pot stabili parametrii grilelor electrică (numită etch) și

neelectrică (numită non-etch), ce reprezintă grile esențiale în faza de proiectare PCB

deoarece permit măsurarea rapidă a unor distanțe, verificarea/plasarea unor

componente electronice, rutarea unor structuri de interconectare de tip traseu

(trace/track/route) și plasarea de forme electrice/neelectrice din cadrul proiectului.

Astfel, se va selecta opțiunea Grids On din tab-ul Grids, pentru a afișa pe ecran grila

curentă.

În fereastra Define Grid, la secțiunile All Etch şi Non-Etch se aleg spațierile pe

OX și pe OY, astfel: pentru grila electrică x → 25 și y → 25 (25 mil), iar pentru cea

neelectrică x → 50 sau 100 și y → 50 sau 100 (50 mil sau 100 mil). Uzual, grila

neelectrică este de 50mil (1,27mm), iar cea electrică de 5, 10 sau 25mil.

Fig. 4.13 Configurarea grilelor electrică (All Etch) și neelectrică (Non-etch)

Realizarea conturului PCB se poate face atât în aria de proiectare a interfeței

grafice cu utilizatorul, prin trasarea/setarea conturului plăcii, cât și în linia de comandă,

prin introducerea unor comenzi vectoriale de la tastatură (a se vedea metoda 2).

Pentru realizarea conturului plăcii prin intermediul modului grafic trebuie să se

selecteze din meniul Outline comanda Board..., în urma căreia se va deschide o

fereastră numită Board Outline (a se vedea figura 4.14). Foarte important, în fereastra

de control Options (din partea din dreapta sus a ecranului, din bara verticală cu

instrumente) se verifică selectarea (automată, de sistem) a clasei (class) Board

Geometry și a subclasei (subclass) Outline, pentru a se permite generarea unui contur

de tip „contur de placă” (și nu a altui tip de contur!).

Fig. 4.14 Fereastra Board Outline pentru configurarea conturului de placă

În interiorul ferestrei Board Outline se va configura forma plăcii, dimensiunea

acesteia și se va preciza valoarea spațierii față de marginea plăcii (Board Edge

Clearance), numită și “spațiu de gardă”. Aceasta reprezintă o zonă lipsită de orice

element PCB (componentă, traseu, gaură de trecere, arie de cupru, text etc.), valoarea

ei fiind setată, în figura 4.14, la 100mil (2,54mm).

După introducerea tuturor datelor, se va obține un contur de placă închis

(conturul exterior, de dimensiuni mai mari) ce reprezintă conturul viitoarei plăci reale de

circuit imprimat, un exemplu fiind dat mai jos, în figura 4.15.

Fig. 4.15 Contur de placă dreptunghiular cu componentele plasate în interiorul lui

Tot aici se poate observa și spațiul de gardă (Board Edge Clearance), delimitat

prin conturul închis de dimensiuni mai mici, ce permite proiectantului să observe efectiv

zona din jurul conturului de placă ce trebuie să fie lipsită de elemente PCB. Prezența

unor componente, trasee, găuri de trecere, arii de cupru, texte etc. în spațiul de gardă

determină apariția unor erori de proiectare PCB semnalate automat de sistemul CAD.

Dacă se alege generarea conturului prin comenzi de la consolă (cu ajutorul liniei

de comandă), procedura de realizare este prezentată în cele ce urmează, în cadrul

metodei 2.

METODA 2 - REALIZAREA CONTURULUI ÎN MOD INDEPENDENT, ÎNTR-O ARIE

DE PROIECTARE PCB DESCHISĂ SPECIAL PENTRU ACEST SCOP

Pentru realizarea unui contur nou de placă se alege, din meniul New, comanda

File. După selectarea comenzii, pe ecran apare fereastra New Drawing (a se vedea

figura 4.16), în interiorul acesteia putându-se alege numele proiectului, de exemplu

“contur_PCB” și tipul proiectului, Board, în cazul de față. Dacă se pornește de la un alt

proiect sau de la un contul PCB generat anterior, respectivul contur de placă poate fi

importat utilizându-se comanda Browse din interiorul ferestrei New Drawing. După

introducerea tuturor datelor necesare, se apasă butonul OK, în urma căruia se va afișa

pe ecran interfața grafică a mediului PCB Editor.

Fig. 4.16 Începerea unei sesiuni de lucru pentru realizarea unui contur de placă

Realizarea conturului se poate face atât în aria de lucru PCB, prin trasarea

conturului în mod grafic, cât și în linia de comandă, prin introducerea unor comenzi

vectoriale (a se vedea mai jos).

În primul caz, se selectează Add → Line. Se precizează din nou, în fereastra de

control Options (din partea din dreapta sus a ecranului, din bara verticală cu

instrumente) se verifică selectarea (automată, de sistem) a clasei (class) Board

Geometry și a subclasei (subclass) Outline, pentru a se permite generarea unui contur

închis de tip „contur de placă”.

În al doilea caz, pentru generarea conturului prin intermediul comenzilor de la

consolă (cu ajutorul liniei de comandă), este necesară specificarea comenzilor, astfel:

x 1000 1000

ix 1050 (“i” indică incrementarea (coordonate relative) față de poziția curentă,

iy -200 iar semnul ”-” descreșterea pe axa OX/OY)

ix 5100

iy 4500

ix -5100

iy -200

ix -1050

iy -4100

În acest mod, proiectantul, fără să traseze grafic respectivul contur, îl declară

precis și complet prin intermediul comenzilor, la final conturul PCB apărând ca un

contur închis în aria de proiectare, în mod asemănător cu cel dreptunghiular din figura

4.15 (dar, evident, de formă poligonală).

4. Proiecte practice

1. Transfer SCM – PCB pentru un circuit RLC serie;

2. Transfer SCM – PCB pentru proiectul amplificatorului cu tranzistor bipolar din

lucrarea de laborator nr. 1;

3. Transfer SCM – PCB pentru proiectul luminii dinamice din lucrarea de laborator

nr. 1.

4. Scurtă recapitulare a comenzilor importante

Descriere Comandă

Alocare capsulă (PCB Footprint) pentru o

componentă virtuală în mediul Capture

Se selectează componenta virtuală, se apasă

RMB și apoi se alege opțiunea Edit

Properties..., după care, în câmpul PCB

Footprint, se introduce denumirea capsulei

din biblioteca pcb_lib.

Generare a fișierelor de postprocesare și

realizare a transferului SCM – PCB

• Se selectează, din fereastra project manager, fișierul de tip design (cu extensia *.DSN) → Tools → Create Netlist;

• Se apasă, din fereastra project manager, butonul Create netlist din prima bară orizontală cu instrumente.

Adăugare a componentelor în aria de lucru a • Se selectează din partea stângă a ecranului, din bara verticală cu

mediului PCB Editor instrumente, butonul Place Manual.

• Se selectează din meniul Place opțiunea Components Manually....

Realizare a conturului de placă

• Outline → Board...

• Add → Line

• Add → … (alte forme grafice)

5. Întrebări și teme suplimentare

1. Cum se poate vizualiza raportul DRC?

2. Ce erori pot apărea la transferul SCM – PCB?

3. Care sunt cele trei tipuri de fișiere de transfer care se generează la rularea

procedurii de transfer?

4. Ce se vizualizează în aria de lucru/proiectare PCB, după rularea procedurii de

transfer și deschiderea interfeței grafice a mediului PCB Editor?

5. În cazul realizării unui transfer corect (no errors, no warnings), ce erori

electrice/tehnologice grave și de corespondență SCM-PCB ar putea, totuși,

exista?

6. De ce diodele sau condensatoarele electrolitice (și alte componente cu

numire/numerotare preferențială a terminalelor) trebuie tratate cu mai mare

atenție la rularea procedurii de transfer? Ce alte componente intră în grupul

componentelor „speciale” în etapa de transfer?

7. În cazul în care proiectantul sesizează, în blocul PCB, că nu a ales capsula dorită

pentru o componentă electronică, care este metoda optimă de alocare a capsulei

corecte?

8. Cum se numește procedura de generare automată a listei de componente

electronice pentru aprovizionare? Care este acronimul pentru această

procedură/postprocesare?